非接触式检测技术在橡胶件质量控制中的应用研究

2023-10-23刘晋斌庄道军

机电产品开发与创新 2023年5期

刘晋斌，庄道军

（1.福建林业职业技术学院，福建南平 353000； 2.华闽南配集团股份有限公司，福建南平 353000）

0 引言

橡胶件被广泛应用于航空航天、仪器仪表、军工、车辆等各个重要的领域，因此控制它的质量精度变的重中之重。根据橡胶件形状尺寸的不同，采用不同方法进行研究。用一般的量具检测需要多个步骤，时间长，X、Y、Z 坐标值偏差大，若检测值用于后续的模具制造，误差大，废品率高。同样三坐标检测技术是基于点、线、面拟合的系统，大多是对于代数二次曲面分析，特别是大多数据量散乱点拟合的自由面，智能化程度低，系统没有自动分割面的功能，测量时顶针多次接触橡胶表面产生变形，影响CAD 模型的质量精度，且测量工艺繁琐成本高，极易出现局部漏点现象。

橡胶件配合精度高，曲面大，多处有深孔凹槽等复杂特征。虽然用专业相关检测仪器能对部分特征进行检测，但不够系统和完善，无法针对检测难点全面地表达零件的细节特征，难以形成广泛共识，传统的测量理论或试验难以全面研究变形的机理。本文提出应用非接触式检测技术通过激光扫描对橡胶件进行检测，以三维CAD 系统和数学算法为基础，根据采集点云素材及曲面形状，探索提高检测精度零件质量，为并行设计及后续的精密模具制造提供了良好的保障。

1 基于零件特征的非接触式检测方案

在现代化信息技术快速发展的推动下，非接触式检测得到广泛应用，此检测方式是结合光学技术、自动化技术等为一体。其核心原理为光电一体化技术，在不需要与零件接触的情况下，能够对复杂曲面进行检测扫描成型，减少了人为操作步骤对零件检测的误差。采用非接触式扫描检测，只需将扫描感应设备安装在需要检测的位置上，连接设备即可完成对零件复杂曲面的数据采集。将扫描得到的点云在检测软件中进行对比，可得到需要的检测数据。

检测橡胶零件的特征难点：①表面易变形，检测时容易出现误差，完整度不易保证；②曲面复杂，易出现点面重影现象；③针对深、长孔内表面特征无法测量；④人工多次定位检测，流程复杂，易产生外部因素带来的误差。针对特征难点，制订有效的检测方案（见图1）。采用激光扫描采集数据，对物件表面材料展开研究，在表面不产生光反射现象时，通过位移调整法将光反射回弹量折射在反冲方向获得补偿型面，该方法在不接触测量表面时，能有效获取零件的表面特征，易于实现零件的完整检测。利用激光针孔探头仪器，伸入检测零件内部，将物件成型点的内力反射，进行回弹，得到补偿型面。点云数据在高效智能计算机的分析运算下，以数据点的方式还原呈现检测模型，不仅能够与原模型进行对比，而且还能简化检测流程[1]。

图1 非接触式扫描检测方案

2 橡胶件模型特征的分析与重构

2.1 曲面轮廓数据点获取与排序

对物件曲面轮廓进行光学发射特性和表面机理方面的分析，认为不同材料的物件对表面曲线的精度是有影响的，可采用显像剂喷涂覆盖表层。以车辆中扭转力矩装置的橡胶件为例，它在装置中起到变换力矩的作用，配合精度高。用非接触式激光扫描检测仪器（见图2）采集橡胶件的点云素材，激光扫描过程是一种光发射与光反馈的一个过程，通过固定零件旋转标定板，对橡胶件的形状进行点云数据采集，点云经过简单的处理，删除多余点并设置单位，进行全局注册，将具有相似几何特征性质的曲面归同一块[2]。然后，调整边界上领域特征的数目，由相交横截面确定组成特征，分块面确定横截面与特征组成面的构成，提取实体特征的二维轮廓曲线，封装曲面轮廓重建，得到横截面相交轮廓数据，并对其进行排序，得到零件的三维造型数据。与检测软件相结合，快速测量任意尺寸。针对复杂型面的外表存在很多凹凸的结构，用网格医生进行修复错误网格，快速获取其表面的数据，满足建模曲面的连续性和高精度。

图2 非接触式激光扫描检测仪器

综上得到有序关联的点云数据，通过点云数据判断坐标值，进行曲面轮廓数据点排序，对生成的特征点按照等比方式进行排列（见图3）。轮廓线与特征点相交得到的数据形成新的曲面，采用位置排序方式[3]。步骤如下：

图3 处理点云示意图

（1）用轮廓线切割特征点的起点，得到的交点作为分析后的第一个有效数据。

（2）以第一数据作为参考，除第一数据以外的数据点，通过过程选取的点云找到该数据最近的第二点云。

（3）以第二点云为参考，找到与该点位置最近的点云，除去前两点云外的点云作为第三点，然后依次排序，对于除前n 点之外的点云数据，距离第n 个点最近的数据点为第n+i 个点。为了实现较高的精度，采用NURBS样条曲线计算。

（4）通过排列数据进行位置排序，收寻关联点云中的点，因为点云是相互连接的，特征点与多边形网格在选定位置的交集中获得曲面轮廓，所以位置排序不会造成干涉重叠现象。

2.2 几何约束重构数学模型

对截面轮廓分段线型的判断，判断分段数据点云确定线型标准。为了初步确定分割截面线型的种类，使用几个参数确定额外的分割点，并确认线型。采用分块算法方式进行直线等比数列排序，以系数A、B，设置直线拟合方程Y=AYn+BXn，每个点到首末数据点连线间距离P={A（X0，Y0），B（X1，Y1），…，N（Xn，Yn）}确定线型，拟合出直线。用最小二乘算法进行圆弧线设计，设置拟合的圆弧方程为（Xn-A）2/2+（Yn-B）2/2=R，令函数的目标值为圆弧坐标，拟合出圆弧曲线。对于复杂不规则部分曲线，则采用NURBS 样条曲线进行拟合（见图4），NURBS 样条曲线在各段曲线之间应体现出相关的约束关系（计算公式如下），曲线方程可为单独拟合后，通过实际情况约束截面特征的过程，生成不规则的复杂曲线[4]。式中：Vi—坐标点值； K—分类系数；Wi—系数；Ri，k（u）—指数函数；Ni，k（u）—可变函数；

图4 橡胶件多边形网格模型

生成分段特征曲面，对其进行片面拟合，采用法矢量的分块算法对模型进行数据领域分块[5]，把领域划分出对应的序列。在划分时，从拟合曲面实际情况出发，对分段曲线设置约束。常见的直线两点间距约束方程为2 （p0-p0'）+2（p1-p1'）-n=0、两线夹角束方程为l0l0'±l1l1'±n=0、圆弧间约束方程为c0（p02+p12）+c1p0+c2p1+c3=0。其中（p0， p1），（l0， l1），（c0，c1，c2，c3）分别为计算公式的有效变量值。为生成满足有效的轮廓线，优化数学模型方程式，计算得到约束分段曲线参数，从而实现各段曲线的精确连接。生成的轮廓线，构建出复杂曲面的相应特征，并进行布尔运算，裁剪多余的面，缝合后得到规划的重构数学模型。模型精度通过软件用色谱图检测判断（见图5）。

图5 用色谱图对比橡胶件的精度

2.3 数据分析

用逆向思路还原重构橡胶件的数学模型，并导进检测软件Geomagic Control X 中比对分析，内容包括分块几何、特征属性、受力测试、数据报告等，快速测量任意所需尺寸[6]。对零件模型进行锐化，最后得到橡胶件的检测报告。检测报告能清晰看出最小细节特征与领域划分的关系，结合对比检测软件，选取橡胶件力矩转变的关键特征点（见图6）进行检测，数据结果进行3D 比较（见表1），通过表中能够看出检测5 处特征点的公差均在±0.01mm 内，检测结果精准且检测效率高，保证了橡胶件原型与模型的尺寸。将重构模型设置为IGS 或PRT 等格式存储，根据需要进行优化设计，为高精度的检测技术提供支持[7]。

表1 橡胶件特征点3D 比较的性能参数（单位：mm）

图6 橡胶件特征点

用剖视图（见图7）表示截面轮廓特征，通过特征点进行2D 测量比较。测量截面图的轮廓点，检测位置与参考位置进行对比，检测4 处轮廓特征点精度均控制在±0.01mm公差范围内，可以得出数学模型的截面轮廓符合要求（见表2）。

图7 橡胶件截面轮廓

检测橡胶件所需要的形位公差，设定基准平面，在测量对比软件中建立需要检测的形位特征，这便可精确测量出相关形状位置的精度，从图8 可以看出，测量圆度和直线度的误差在±0.05mm 满足检测质量要求。

图8 橡胶件的部分形位特征参数

3 不同方式质量检测对比

为判断检验方法的优劣，将实际测量值与理论值相比，本次试验采用经验法、导电探针法和三坐标法作为比较方法，得出相应比较的测量误差值，将检测零件特征点偏差的结果记入下表进行分析。由表3 可知，采用经验检测法考验人员的检测能力和熟练度，但容易受到不确定因素干扰，精度易跑偏误差大，效率低。采用导电探针检测法，探针分析物件导体控制交变电压，交变率越大峰值电压越高，易造成误差，测量出零件的尺寸偏差为-0.13～+0.09mm。采用三坐标检测法，一旦检测形状复杂的深孔，探针式测头无法接触深孔内壁，或者工件是软而薄的材料，会造成较大的检测值偏移，测量出零件的偏差为-0.11 ～+0.08mm。采用非接触式扫描检测法通过光学转换，减小外界因素干扰，计算机一体化设计、AI 智能算法，测量出零件的偏差尺寸为-0.005～+0.008mm。经试验得出此方法检测出的零件细节特征尺寸准确[8]。

表3 4 种检测方法的测量偏差比较结果（单位：mm）

由图9 可知，使用经验检测法需要人工对零件进行多次测量定位，存在外界不稳定因素，效率低，在不必要的操作流程中消耗大量的工作时间。使用导电探针法的检测耗时平均值为4～5min；用三坐标检测零件，要求检测人员对设备操作熟练，易失误，耗时平均值为3～4min；而使用非接触式扫描法检测数学模型数据，检测耗时平均值为1～2min。此方法能有效提升橡胶件检测精度及检测效率。